Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 | Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 4 Квантованная проводимость в кремниевых квантовых проволоках й Н.Т. Баграев, А.Д. Буравлев, Л.Е. Клячкин, А.М. Маляренко, В. Гельхофф, В.К. Иванов+, И.А. Шелых+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt Berlin, D-10623 Berlin, Germany + Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 4 июня 2001 г. Принята к печати 29 августа 2001 г.) Представлены данные исследований квантовой лестницы электронной и дырочной проводимости одномерных каналов, полученных с помощью методики расщепленного затвора внутри самоупорядоченных кремниевых квантовых ям. Сначала анализируются характеристики квантовых ям, спонтанно формирующихся между сильно легированными -барьерами на поверхности Si (100) в процессе неравновесной диффузии бора. Для этой цели используется вторичная ионная масс-спектрометрия, а также регистрация угловых зависимостей спектров циклотронного резонанса и ЭПР, которые позволяют идентифицировать как кристаллографическую ориентацию самоупорядоченных квантовых ям, так и сегнетоэлектрические свойства сильно легированных -барьеров. Поскольку полученные кремниевые квантовые ямы являются экстремально узкими ( 2нм), а ограничивающие их -барьеры обладают сегнетоэлектрическими свойствами, квантованная проводимость одномерных каналов впервые наблюдается при высокой температуре (T 77 K). Далее, ВАХ квантовой лестницы проводимости изучается в зависимости от кинетической энергии электронов и дырок, их концентрации в квантовых ямах, а также Ч кристаллографической ориентации и степени модуляции электростатически индуцированных квантовых проволок. Полученные результаты показывают, что величина квантовых ступенек электронной проводимости кристаллографически ориентированных проволок n-типа определяется анизотропией зоны проводимости кремния и полностью согласуется со значением долинного фактора для осей [001] (G0 = 4e2/h, gv = 2) и [011] (G0 = 8e2/h, gv = 4) в плоскости Si (100). В свою очередь квантовая лестница дырочной проводимости кремниевых проволок p-типа обусловлена независимыми вкладами одномерных подзон тяжелых и легких дырок, которые проявляются при исследовании проволок квадратного сечения в удвоении квантовых ступенек (G0 = 4e2/h), кроме первой (G0 = 2e2/h), вследствие отсутствия вырождения нижней одномерной подзоны. Анализ величины первой и второй квантовых ступенек свидетельствует о спонтанной спиновой поляризации тяжелых и легких дырок, что подчеркивает важнейшую роль обменного взаимодействия в процессах одномерного транспорта одиночных носителей. Кроме того, демонстрируется температурное и полевое тушение квантовой лестницы проводимости, когда kT и энергия полевого разогрева носителей становятся сравнимыми с величиной энергетического зазора между одномерными подзонами. Использование методики расщепленного затвора сделало возможным обнаружение эффекта резкого усиления квантовых ступенек проводимости при увеличении кинетической энергии электронов, который наиболее ярко проявляется в проволоках конечной длины, не описываемых в режиме квантового точечного контакта. В заключительной части показано, что регистрация квантовой лестницы проводимости в условиях развертки кинетической энергии носителей может выполнять роль экспериментального теста, чтобы выделить эффекты квантовой интерференции в модулированных квантовых проволоках на фоне кулоновских осцилляций вследствие образования квантовых точек между -образными барьерами.

1. Введение новятся существенными эффекты, связанные с волновой природой электронов [1]. Перенос заряда в таких приборах, имеющих один или несколько одномерОсновной характеристикой транспорта носителей тоных каналов, длина которых меньше длины свободнока в полупроводниковых структурах является прого пробега, не сопровождается джоулевыми потерями водимость, которая определяется в первую очередь вследствие подавления процессов неупругого рассеяпроцессами их неупругого рассеяния. Однако данный ния [1Ц3]. Поэтому носители тока в условиях квазиодтезис наиболее актуален при создании полупроводномерного транспорта могут проявлять баллистические никовых приборов с характерными размерами больсвойства.

ше, чем длина свободного пробега носителей тока, Проводимость баллистической квантовой проволоки тогда как для описания характеристик приборов на зависит, в первом приближении, только от величины основе квантовых проволок и квантовых точек стакоэффициента прохождения T [4,5]:

E-mail: impurity.dipole@pop.ioffe.rssi.ru G = G0T, (1) Квантованная проводимость в кремниевых квантовых проволоках где значения, при котором индуцируются переходы носитеe2 лей тока между подзонами размерного квантования [16].

G0 = gsgv N, (2) Такие переходы наиболее вероятны при напряжениях h на затворе, Ug, соответствующих ступенькам квантовой gs и gv Ч спиновый и долинный факторы соответственлестницы проводимости, что нарушает линейность ВАХ, но; N Ч число заполненных подзон размерного квантовапри жестком требовании которой получено выражения, которое соответствует номеру верхней заполненной ние (1) [4,5]. Аналогичное сглаживание ступенчатой одномерной подзоны и может изменяться в зависимости зависимости G(Ug) должно возникать при конечной темот напряжения на затворе (Ug), управляющего колипературе квантовой проволоки, поскольку в этом случеством носителей тока в квантовой проволоке [6,7].

чае число заполненных подзон размерного квантования При этом зависимость G(Ug) носит ярко выраженный становится неопределенным, тогда как выражение (1) ступенчатый характер, поскольку кондактанс квантовой описывает поведение квантованной проводимости только проволоки изменяется скачком каждый раз на величину при нулевой температуре. Следует отметить, что при маgsgve2/h, когда уровень Ферми совпадает с одной из лых значениях продольного напряжения, когда переходы подзон размерного квантования.

между подзонами размерного квантования маловероятДостигнутый в последние годы уровень развития наны, может наблюдаться не тушение, а усиление кваннотехнологии позволил использовать методики расщетовых ступенек вследствие разогрева баллистических пленного затвора [6Ц8], зарастания краевого скола [9], носителей тока. Подобные эффекты разогрева должны а также металлические точечные контакты [10] и элекпроявляться прежде всего при исследовании квантовых тростатическое упорядочение примесных диполей [11] проволок конечной длины, характеристики которых не для получения квантовых проволок, имеющих один или описываются в режиме квантового точечного контакта.

несколько одномерных баллистических каналов внутри В этом случае существенная информация также может гетероструктур GaAsЦAlGaAs [6Ц10], кремниевых сверхбыть получена с помощью методики расщепленного решеток [11,12] и одиночных квантовых ям на поверхзатвора, в рамках которой имеется возможность рености монокристалов PbTe [13] и 6H-SiC [14]. Все эти гистрировать зависимости квантованной проводимости электростатически индуцированные квантовые проволоG(Ug) в условиях развертки продольного напряжения ки были идентифицированы вследствие обнаружения истокЦсток. Поэтому для изучения механизмов усиления квантованной проводимости в зависимости от напряи тушения квантовых ступенек в настоящей работе жения на затворе G(Ug), которое управляло позицией используются квантовые проволоки различной длины, уровня Ферми относительно подзон размерного квантополученные в режиме расщепленного затвора внутри вания. Причем величина ступенек квантовой лестницы кремниевой квантовой ямы (100), сформированной мепроводимости одномерных каналов на основе классичежду сегнетоэлектрическими барьерами, что позволяет ских гетероструктур GaAsЦAlGaAs соответствует 2e2/h стабилизировать условия размерного квантования при (gs = 2, gv = 1) [6,7], тогда как проводимость квантолинейном изменении продольного электрического поля.

вых проволок внутри многодолинных полупроводников, Кроме квантовой ступеньки, важной характеристикой например в кремнии, проявляет ступеньки, равные 4e2/h квантованной проводимости является ее плато, величина (gs = 2, gv = 2) и 8e2/h (gs = 2, gv = 4) [15]. Поэтому, и форма которого определяются зарядовыми и спиновыисследование электронной квантованной проводимости ми корреляциями внутри баллистических квантовых пров плоскости кремниевой квантовой ямы (100) n-типа волок. Причем величина плато, следующего за первой может способствовать идентификации ее кристаллограступенькой квантованной проводимости, как правило, нефической зависимости ввиду анизотропии зоны просколько меньше, чем gsgve2/h, что может быть результаводимости, поскольку долинный фактор будет разным том влияния спиновой поляризации носителей в нулевом для кремниевых квантовых проволок, ориентированных магнитном поле [17Ц26] или нарушения когерентности вдоль кристаллографических осей [001] (gv = 2) и [011] по причине как электрон-электронного взаимодействия, (gv = 4). В свою очередь квантовые проволоки внутри так и рассеяния на примесных центрах [27Ц29]. Кроме кремниевой квантовой ямы (100) p-типа целесообразно того, остаточные примеси, распределенные вдоль границ использовать для определения относительного вклада квантовой проволоки, являются основой при создании тяжелых и легких дырок в величину ступенек дырочной внутренних барьеров, которые модулируют характериквантованной проводимости. В обоих случаях следует стики когерентного транспорта одиночных носителей ожидать эффектов удвоения квантовых ступенек при тока. В результате подобной модуляции могут вознирегистрации квантовой лестницы проводимости (1) с кать осцилляции в области плато квантованной провопомощью изменения напряжения на затворе, G(Ug), де- димости, что является следствием интерференционных монстрация которых являлась одной из целей настоящей эффектов, индуцируемых упругим обратным рассеянием работы.

между модулирующими барьерами [30]. Следует отКроме того, представляет интерес изучение процессов метить, что наиболее ярко интерференция баллистичетушения квантованной проводимости при увеличении на- ских носителей должна проявляться в том случае, если пряжения, приложенного вдоль квантовой проволоки, до регистрация квантовой лестницы проводимости G(Ug) Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 464 Н.Т. Баграев, А.Д. Буравлев, Л.Е. Клячкин, А.М. Маляренко, В. Гельхофф, В.К. Иванов, И.А. Шелых сопровождается соответствующим изменением кинети- которого собственные межузельные атомы и вакансии ческой энергии носителей тока, что достигается с по- формируют микродефекты вблизи обратной поверхности мощью прецизионного линейного увеличения электри- подложки. После окончания окисления в маске окисла на ческого поля вдоль модулированной квантовой проволо- рабочей стороне пластины с помощью фотолитографии ки. Преимущества данной методики демонстрируются в вскрывались окна в холловской геометрии для проведенастоящей работе на примере исследования осцилляций ния кратковременной диффузии бора из газовой фазы плато квантованной проводимости, индуцированной в (рис. 1, a).

модулированной кремниевой квантовой проволоке (100) Варьируя значения температуры диффузии (Tdif = 800, в условиях развертки продольного напряжения.

900 и 1100C) и толщину предварительно осажденного Сначала анализируются характеристики самоупорядослоя окисла, удалось определить оптимальные условия ченных квантовых ям n- и p-типа, которые формируются для доминирования KO и вакансионного механизмов на поверхности кремния (100) в процессе неравновесной диффузии бора, а также установить критерии их паридиффузии бора. Далее представлены данные исследотета. Высокий уровень генерации первичных дефектов, ваний квантованной проводимости в зависимости от обеспечивающих увлечение или торможение примесных температуры, концентрации носителей и степени модуатомов, достигался не только благодаря их предвариляции кремниевых квантовых проволок, реализованных тельному накоплению в подложке, но и с помощью дос помощью конструкции расщепленного затвора, встробавочной подпитки борсодержащей газовой фазы сухим енной в плоскость самоупорядоченной квантовой ямы.

кислородом и хлористыми соединениями.

Поскольку полученные самоупорядоченные квантовые Анализ полученных профилей концентрации бора в ямы являются экстремально узкими ( 2нм), а ограникремнии (100), проведенный методом масс-спектрометчивающие их барьеры обладают сегнетоэлектрическими рии вторичных ионов (рис. 2), показывает, что паритет свойствами, квантовые ступеньки впервые наблюдались между KO и вакансионным диффузионными механизпри высокой температуре (T 77 K).

мами, приводящий к резкому замедлению примесной диффузии, устанавливается при Tdif = 900C. В этом 2. Эксперимент случае интенсивная аннигиляция собственных межузельных атомов и вакансий, лежащая в основе паритета 2.1. Сверхмелкие диффузионные профили диффузионных механизмов, будет стимулировать побора на поверхности кремния (100) давление поверхностного деформационного потенциала (ПДП) вдоль плоскости диффузионного профиля [12,33].

Одиночные квантовые ямы, на основе которых в наКроме того следует ожидать, что торможение потоков стоящей работе реализуется конструкция расщепленнопримесных атомов, увлекаемых как собственными мего затвора, спонтанно образуются внутри сверхмелких жузельными атомами, так и вакансиями, может споp+-диффузионных профилей на поверхности монокрисобствовать усилению ПДП поперек плоскости дифсталлического кремния (100). Данные примесные профузионного профиля. Подобная анизотропия ПДП, пофили были получены путем неравновесной диффузии видимому, является причиной флуктуаций концентрации бора с помощью прецизионного управления потоками легирующей примеси в зависимости от глубины профиля собственных межузельных атомов и вакансий, генерируе(рис. 3, a), которые были идентифицированы с помощью мых границей раздела SiЦSiO2 (рис. 1, a), которые стимучетырехзондового метода в условиях послойного стравлируют диффузию легирующей примеси соответственно ливания. Следует отметить, что трудности регистрации в рамках Фkick-outФ (KO) и вакансионного диффузионнонемонотонного изменения концентрации внутри профиго механизма [31,32].

я, возникающие при использовании ВИМС-методики В качестве основы при получении сверхмелких диф(рис. 2), с одной стороны, обусловлены ограничениями фузионных профилей бора использовались пластины ее разрешающей способности, а с другой стороны Ч монокристаллического кремния (100) n-типа проводисглаживанием сверхмелкого диффузионного профиля мости толщиной 350 мкм с различной концентрацией вследствие диффузии примесных атомов под ионным мелких доноров фосфора. Предварительно обе стороны пучком.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |    Книги по разным темам